沿空掘瓦斯抽排巷合理煤柱留設(shè)尺寸研究與應用

韓鵬

（汾西礦業(yè)集團賀西煤礦 山西 柳林 033300）

0 引言

沿空掘巷技術(shù)已有較長時間的應用歷史，相比留設(shè)較大的區(qū)段保護煤柱，沿空掘巷可以大幅度減小煤柱尺寸，減少資源損失，同時可以有效避開工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ募休d荷，有利于巷道圍巖控制。沿空掘巷技術(shù)優(yōu)勢能否充分發(fā)揮，很大程度上取決于煤柱的尺寸是否合理，煤柱過大或過小都可能造成巷道圍巖支護困難，甚至導致沿空掘巷失敗。針對沿空掘巷煤柱尺寸的留設(shè)問題，煤礦科研人員與技術(shù)人員進行了大量研究及實踐，例如有學者通過建立沿空掘巷的圍巖結(jié)構(gòu)模型，并進行力學分析計算，對工作面?zhèn)认蛑螇毫Φ纳龎簠^(qū)進行確定，從而將巷道布置在應力降低區(qū)，能夠較合理的指導煤柱尺寸的設(shè)計；也有學者借助UDEC、FLAC 等數(shù)值模擬軟件，建立多個巷道開挖數(shù)值模型，分析不同煤柱尺寸下巷道圍巖的應力場及位移場區(qū)別，從而選擇更合理的煤柱尺寸；也有學者在沿空掘巷后進行了持續(xù)全面的礦壓觀測，分析巷道圍巖變形破壞特征，對巷道圍巖支護方案進行優(yōu)化，使支護方案更好的適應圍巖條件[1-4]。以8304工作面沿空掘瓦斯抽排巷為工程背景，對其煤柱尺寸進行合理設(shè)計，并進行工程實踐，為相似條件下巷道圍巖控制提供借鑒。

1 研究背景

8304 工作面主采8#煤層，位于整體向斜構(gòu)造的一翼，煤層結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，為常規(guī)的傾斜煤層，平均煤層傾角5°，煤層平均埋深135 m，煤層平均厚度12.66 m，共分4層進行回采。8304工作面可采走向長度1 200 m，傾向長度200 m，采用走向長壁后退式綜合機械化采煤法，8304 工作面與鄰近的8302 工作面之間設(shè)計留30 m區(qū)段煤柱。煤層頂?shù)装澹◣r性見表1）均為較軟弱的泥巖或砂質(zhì)泥巖，對采掘工作圍巖控制不利。

表1 煤層頂?shù)装逄卣鞅?/p>

由于8304工作面絕對瓦斯涌出量達到65 m3/min，需要布置一條專用的瓦斯抽排巷，根據(jù)分層采掘的地質(zhì)生產(chǎn)條件，該條瓦斯抽排巷只能布置在區(qū)段煤柱內(nèi)，30 m的煤柱將被該條巷道分開成寬煤柱及窄煤柱或均分為兩部分。如何更加合理的確定巷道在煤柱中的位置，即更合理的設(shè)計沿空掘巷窄煤柱的尺寸，使巷道能處于一個更加有利的應力環(huán)境，成為我們研究的工作重點。

2 沿空掘巷圍巖應力環(huán)境分析

2.1 沿空掘巷應力環(huán)境概況

根據(jù)沿空掘巷的地質(zhì)生產(chǎn)參數(shù)，繪制沿空掘巷的圍巖結(jié)構(gòu)模型，如圖1 所示，瓦斯抽排巷的掘進，將整個區(qū)段煤柱分割為寬煤柱及窄煤柱兩部分。若要確定掘巷的合理位置，需要對巷道圍巖的應力環(huán)境進行分析。由于工作面區(qū)段煤柱承受一側(cè)采空區(qū)側(cè)向支承壓力及另一側(cè)工作面采掘工作的應力疊加，是較為突出的應力集中區(qū)，但由于煤層老頂?shù)钠茢?，破斷后的巖塊會在采空區(qū)及煤柱內(nèi)形成兩個突出的承載點，兩個承載點之間將存在一個應力較低區(qū)域，如果在煤柱中再掘進一條巷道，勢必會造成應力環(huán)境的變化，首先需要對煤柱的承壓和破壞情況進行分析，設(shè)計使用打設(shè)鉆孔并對鉆屑量進行測試分析的研究方法。

圖1 沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)模型

2.2 煤柱內(nèi)承壓破壞情況實測研究

設(shè)計在8304 工作面回風順槽內(nèi)超前工作面約20 m～30 m 處打設(shè)1#鉆孔，用來測試工作面超前區(qū)域的側(cè)向支承壓力情況；設(shè)計在8304下分層工作面的回風順槽內(nèi)打設(shè)2#及3#鉆孔，鉆孔間隔50 m，滯后8304 工作面100 m及150 m，測試采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后的側(cè)向支承壓力分布情況。鉆孔規(guī)格為?42 mm 孔徑，15 m孔深，在打鉆過程中，使用鉆屑法進行鉆屑量的統(tǒng)計測試，在鉆孔完成后，使用內(nèi)窺儀進行內(nèi)部監(jiān)測。

（1）鉆屑法實測研究。鉆屑法的工作原理是根據(jù)打鉆不同深度時排出的鉆屑量及其變化規(guī)律來判斷煤柱內(nèi)應力集中情況，一般情況下，支承壓力越大，煤柱破碎程度越高，鉆屑量越多[5]，統(tǒng)計所得三個鉆孔的鉆屑量對比分析情況如圖2 所示?？梢钥闯觯?#鉆孔的峰值點出現(xiàn)在距孔口5 m 處，2#、3#鉆孔的走勢基本一致，峰值點出現(xiàn)在距孔口8 m處，鑒于分層開采的多次應力擾動作用，區(qū)段煤柱邊緣進一步壓碎，壓力峰值點將進一步向深部轉(zhuǎn)移約2 m～3 m?？卓谥练逯迭c之間則出現(xiàn)了一個應力降低區(qū)，2#、3#鉆孔的應力降低區(qū)出現(xiàn)在距孔口5 m～7 m處。

圖2 鉆孔鉆屑量對比分析圖

（2）鉆孔內(nèi)窺法實測研究。鉆孔內(nèi)窺法的應用，能夠直觀的將煤巖體內(nèi)部的破壞情況進行展現(xiàn)，對研究工作有很大促進作用。以2#鉆孔為例，鉆孔內(nèi)窺結(jié)果顯示，距孔口約3.5 m的范圍內(nèi)，即煤柱的邊緣區(qū)域，煤體破碎程度較高，趨向于完全的破碎狀態(tài)，喪失承載能力；距孔口5.2 m處，孔內(nèi)煤體發(fā)生塑性破壞，距孔口5.7 m 處，煤體的完整性較好，孔壁較光滑，距孔口6.4 m 處，孔壁的破碎程度稍高，在距孔口7.7 m 以外，鉆孔內(nèi)壁的破碎度明顯升高，進入壓力承載區(qū)。

（3）根據(jù)鉆屑法及內(nèi)窺法實測研究結(jié)果，結(jié)合經(jīng)典的采場覆巖運移規(guī)律及礦壓理論，分析可得：當工作面回采過后，頂板在工作面走向及傾向方向上均會發(fā)生規(guī)律破斷，走向破斷會形成周期來壓，傾向破斷則會形成側(cè)向支承壓力，結(jié)合礦井地質(zhì)生產(chǎn)條件、采掘經(jīng)驗及實測結(jié)果，認為傾向方向上，老頂?shù)钠茢嗑嚯x約為7 m，即老頂深入煤柱以內(nèi)7 m 處發(fā)生破斷，破斷距以內(nèi)為壓力較低的內(nèi)應力場，以外為壓力較高的外應力場，將巷道布置在內(nèi)應力場內(nèi)，可以有效規(guī)避集中應力的載荷。因此，設(shè)計留設(shè)5 m 的窄煤柱進行瓦斯抽排巷的掘進，有利于巷道圍巖的控制。

3 工業(yè)性試驗及效果分析

根據(jù)設(shè)計方案，留設(shè)5 m 窄煤柱進行瓦斯抽排巷的掘進。瓦斯巷沿煤層頂板掘進，采用矩形斷面，巷道規(guī)格為4 m×2.5 m。同時，根據(jù)礦井地質(zhì)生產(chǎn)條件、采掘經(jīng)驗進行巷道支護方案的設(shè)計，設(shè)計采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方案，巷道支護設(shè)計參數(shù)表如表2所示，具體參數(shù)不再贅述。

表2 巷道支護設(shè)計參數(shù)表

按照所設(shè)計的支護方案對巷道實施支護后，著重加強了巷道表面位移觀測及支護效果觀測。在30 d的礦壓觀測周期內(nèi)，巷道頂板下沉量累計達到155 mm，未觀測到頂板明顯離層及頂板漏冒、墜網(wǎng)現(xiàn)象；巷道兩幫移近量累計達到133 mm，鼓幫現(xiàn)象得到較好控制，局部變形稍大，但整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，金屬網(wǎng)未出現(xiàn)破碎。在8304工作面回采過程中，當巷道進入工作面超前支承壓力影響范圍后，巷道圍巖變形量再次出現(xiàn)一次迅速增長期，礦方及時在巷道中部補打一排單體液壓支柱+Π型鋼梁進行支護，保障了巷道正常使用及工作面安全回采。

4 結(jié)束語

沿空掘巷相比沿空留巷有其特殊之處，沿空留巷完全無煤柱，重點在于充填墻體的寬度設(shè)計及巷道支護方案的設(shè)計，而沿空掘巷的重點在于窄煤柱尺寸的設(shè)計，窄煤柱尺寸設(shè)計合理，就能有效躲避側(cè)向支承壓力的影響，達到事半功倍的效果。本文基于8304工作面沿空掘進專用瓦斯抽排巷的具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，在鉆屑法及內(nèi)窺法實測研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)計留設(shè)5 m 窄煤柱進行沿空掘巷，配以合理的錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方案，成功進行了工業(yè)性試驗及礦壓觀測，驗證了窄煤柱留設(shè)寬度及支護方案的合理性，實現(xiàn)了預期的研究目的。